JVM 구조 (Java Virtual Machine Architecture)
JVM은 시스템 메모리를 관리하면서 자바 기반 애플리케이션을 위해 실행 환경을 제공한다. 자바 프로그램이 어떤 운영체제 또는 기기 상에서도 실행될 수 있게 하고 메모리를 관리하고 최적화 한다.
1. 자바 프로그램의 구동 원리
javac MyAProgram.java: 소스코드를 작성하고 (.java 확장자의 소스 파일) 명령어를 통해 컴파일러가 바이트 코드로 변환한다. (.class 파일 생성)java MyAProgram: 바이트 코드를 실행한다.- 런처 (java.exe)로 자바 가상 머신을 구동 하면 자바 가상 머신이 바이트 코드를 해석하여 프로그램 실행
일반적으로 자바 프로그램의 파일들은 운영체제에서 직접 동작하는 것이 아니라 JVM 위에서 동작한다. 자바 프로그램은 한 번 만들기만 하면 윈도우든, 리눅스든, 어느 운영체제에서도 실행할 수 있다. 즉, 이식성이 높다고 말할 수 있다. 하지만 일반적으로 각 운영체제에 맞는 가상 머신을 설치해야 하므로 운영체제에 종속적이라고 할 수 있다. 또한 자바 프로그램은 일반 프로그램보다 한 단계를 더 거치기 때문에 상대적으로 실행속도가 느리다.
2. 자바 가상 머신의 구조 (JVM Architeture)
1. Class Loader subsystem
자바에서 소스를 작성하면
MyProgram.java처럼 .java 파일이 생성된다. 소스를 자바 컴파일러가 컴파일하면MyProgram.class.class(바이트코드)가 생성된다. 이렇게 생성된 클래스 파일들을 엮어서 할당받은 메모리 영역인 런타임 데이터 영역에 배치한다. 자바는 동적으로 클래스를 읽어오므로 (동적 로딩) 런타임 시점에서야 모든 코드가 JVM과 연결된다.
동적 로딩 : Java는 동적 로딩을 지원하기 때문에 실행 시에 모든 클래스가 로딩되지 않고 필요한 시점에 클래스를 로딩하여 사용할 수 있다.
1–1 Loading
JVM 클래스들을 로드하기 위해 위임(delegation)을 한다. 부트스트랩 로더에서 클래스를 찾지 못하면, 확장 로더에서 찾고, 찾지 못하면 시스템 로더에서 마지막으로 시스템 로더에서 찾고 실패한다면 java.lang.ClassNot-FoundException 런타임 에러를 만난다.
- Bootstrap ClassLoader : JRE(Java Runtime Environment)의 lib 폴더에 있는 rt.jar 파일을 찾아 기본 자바 API 라이브러리를 로드하고 가장 최우선으로 로드된다.
- Extention ClassLoader : jre의 폴더에 있는 ext폴더에 있는 모든 확장 코어 클래스파일들을 로드한다. JDK 확장 디렉토리 또는
- Application ClassLoader : 어플리케이션 레벨에 있는 클래스들을 로드한다. 즉, 사용자가 직접 정의한 클래스 파일들을 로드한다. Classpath 환경 변수에 있는 클래스 파일이나 -classpath 또는 -cp 명령어 옵션이 있는 파일들을 로드한다.
rt.jar : 모든 기본 자바 환경을 클래스를 담고 있는 파일 (자바 런타임 표준 클래스가 모두 포함된 아카이브 파일 classes.zip 과 동일하며, 아카이브 형식과 이름만 다른것을 사용하고 있다. )
-classpath or -cp : JVM이 프로그램을 실행할 때, 클래스파일을 찾는 기준이 되는 파일 경로를 말하는 것이다. .class 파일을 찾을 때 classpath에 지정된 경로를 사용한다. (환경 변수 CLASSPATH 와 -classpath 를 사용한다. )
1–2 Linking
- 검증 (verify) : 바이트코드 검증기는 생성된 자바 바이트코드가 적절한지 아닌지에 대해서 검증하며 검증 실패하면 런타임 에러를 볼 수 있다.
- 준비 (prepare) : 모든 정적변수의 메모리가 할당되며 기본 default 값으로 할당된다. 클래스 변수들을 위한 메모리에 할당한다.
- 해석 (resolve) : 모든 심볼릭한 (명확하게 정의되지 않은) 메모리 참조를 메소드 영역에 있는 타입으로 직접 참조한다.
1–3 Initialization
이 단계에서 모든 정적 변수들이 정의 된 값으로 초기화 된다.
2. RunTime Data Areas
클래스 로더에서 분석된 클래스 파일의 데이터를 저장하고 실행 도중에 필요한 데이터를 저장한다. 메모리를 효율적으로 관리하기 위해 크게 5개의 영역으로 구분한다.
1. Method (Garbage Collection 대상)
가장 먼저 데이터가 저장되며, 클래스, 메서드, 클래스(static), 전연변수가 저장된다. 모든 스레드에서 공유할 수 있다.
2. Heap (Garbage Collection 대상)
런타임 시 결정되는 참조형 데이터타입이 저장되고, new 연산자를 통해 생성된 객체가 저장된다. 모든 스레드에서 공유할 수 있다.
3. Stack
컴파일 시 결정되는 기본형 데이터타입이 저장되는 공간이다. 지역변수, 매개변수, 리턴값, 참조변수 등이 저장된다. 메서드 호출될 때, 메모리에 FILO로 하나씩 생성 된다. 메서드 끝날 때, LIFO로 하나씩 제거된다.
4. Pc Register
JVM이 수행할 명령어의 주소를 저장하는 공간이다. 스레드가 시작될 때 마다 생성한다.
5. Native Mehod
바이트 코드가 아닌, 기계어로 작성 된 코드를 실행하는 공간이다. 다른 언어로 작성된 코드를 수행하기 위한 것이다.
3. Execution Engine
실행 엔진은 바이트 코드로 된 .class 파일을 실행한다. 바이트 코드를 한줄씩 읽고, 다양한 메모리 영역에 나타난 데이터와 정보를 사용하고 명령을 실행한다.
1. Interpreter
바이트 코드를 빠르게 해석하지만 한줄씩 수행하기 때문에 수행속도가 느리다. 왜냐하면 하나의 메소드가 여러번 호출되었을 때, 매번 해석해야 한다는 단점이 있습니다.
2. JIT (Just-In-Time)
인터프리터의 효율을 증가하는 데 이용한다. 반복되는 코드가 발견되었을 때에는 반복되는 부분을 native code(원시코드)로 컴파일 합니다. 변환된 원시코드는 인터프리터의 변환과정없이 직접적으로 사용이 가능하기 때문에 이로인해 시스템의 성능이 좋아지게 된다.
3. Garbage Collector
아무 참조가 없는 인스턴스들을 모아 제거하는 역할을 한다. System.gc() 메소드로 가비지 컬렉션을 실행할 수 있지만 보장되지는 않는다. (하지만 메서드를 호출하는 것은 시스템의 성능에 매우 큰 영향을 끼치므로 System.gc() 메서드는 절대로 사용하지 않는 것이 좋다.) https://d2.naver.com/helloworld/1329
4. Java Native Interface (JNI) & Native Method Libraries
- Java Native Interface (JNI) : Native Method Libraries 와 상호작용하고 실행에 필요한 네이티브 라이브러리를 제공하는 인터페이스이다. C, C++ 로 만들어진 고유기능의 함수를 Java 메서드와 연결해준다.
- Native Method Libraries : Execution Engine으로 인해 요구되는 네이티브 라이브러리(C, C++)의 모임이다. C, C++ 을 작성하기 위한 비쥬얼 스튜디오가 필요하다. (Native Method Libraries are libraries that are written in other programming languages)
참고
http://adnjavainterview.blogspot.com/2017/04/java-vertual-machinejvm-architecture-in.html https://sas-study.tistory.com/262 https://gbsb.tistory.com/2 https://mygumi.tistory.com/115 https://docs.oracle.com/javase/tutorial/ext/basics/load.html
